(PhysOrg.com) -- Crescita di cristalli bidimensionali dello strato S su doppi strati lipidici supportati osservati in soluzione utilizzando la microscopia a forza atomica in situ. Questo film mostra le proteine ​​che si attaccano al doppio strato lipidico supportato, formando una fase mobile che si condensa in ammassi amorfi, e subendo una transizione di fase a cluster cristallini composti da 2 a 15 tetrameri. Questi cluster iniziali entrano quindi in una fase di crescita in cui nuovi tetrameri si formano esclusivamente in siti reticolari non occupati lungo i bordi del cluster.

Assemblando un involucro cristallino attorno a una cellula, le proteine ​​dello strato superficiale (strato S) fungono da primo punto di contatto tra batteri, estremofili e altri tipi di microbi e il loro ambiente. Ora, scienziati della Fonderia Molecolare, una struttura per utenti di nanoscienze presso il Berkeley Lab, hanno utilizzato la microscopia a forza atomica per visualizzare in tempo reale come le proteine ​​dello strato S formano i cristalli in un ambiente simile a una cellula. Questa osservazione diretta dell'assemblaggio delle proteine ​​potrebbe fornire ai ricercatori informazioni su come i microrganismi evitano gli antibiotici o bloccano l'anidride carbonica nei minerali.

“Molte proteine ​​si autoassemblano in strutture altamente ordinate che forniscono agli organismi funzioni critiche, come l'adesione delle cellule alle superfici, trasformazione di CO ₂ in minerali, propagazione di malattie, e resistenza ai farmaci, "ha detto James De Yoreo, Vice Direttore della Fonderia Molecolare. “Questo lavoro è il primo a fornire una visione diretta a livello molecolare del percorso di assemblaggio in vitro. Una volta che questa conoscenza può essere estesa all'assemblaggio in un sistema vivente, può portare a strategie per capitalizzare o interferire con queste funzioni”.

Svelare il percorso per la formazione dello strato S consente agli scienziati di studiare come i batteri o altri microbi negoziano le interazioni con il loro ambiente. DeYoreo e colleghi hanno impiegato la microscopia a forza atomica in situ, una tecnica di sonda utilizzata per studiare la superficie di un cristallo nel suo ambiente naturale con precisione atomica, per osservare le proteine ​​dello strato S assemblare dalla soluzione su un piano, membrana biologica chiamata doppio strato lipidico. A differenza della classica crescita dei cristalli, in cui gli atomi si formano in "semi" ordinati e crescono di dimensioni, il team ha mostrato che le proteine ​​dello strato S formano chiazze non strutturate sui doppi strati prima di trasformarsi in una struttura cristallina nel corso di pochi minuti.

"Possiamo effettivamente vedere queste proteine ​​dalla soluzione che si attaccano e si dispongono sui doppi strati lipidici dove si condensano spontaneamente in molti blob proteici, quindi, minuti più tardi, si trasformano in una struttura cristallina con un reticolo quadrato di tetrameri, "disse Sungwook Chung, uno scienziato del personale nella Divisione di Bioscienze Fisiche e utente presso la Molecular Foundry. “Questa è una scoperta importante in quanto fornisce prove dirette di un percorso di assemblaggio multistadio con un intermedio, fase amorfa che si forma prima di piegarsi in un bidimensionale, matrice cristallina.”

Ricercatore post-dottorato in fonderia Seong-Ho Shin, lavorando con il direttore della fonderia Carolyn Bertozzi, dice che capire come gli strati S interagiscono con il loro ambiente potrebbe aiutare a riconoscere come gli organismi resistono ai farmaci antibatterici, o come i microbi trasformano l'anidride carbonica in carbonati solidi. Tra le prime strutture proteiche da utilizzare per organizzare le nanostrutture, Gli strati S sono anche attraenti materiali modello per impalcature per la crescita o l'organizzazione di nanofili o punti quantici.

In uno studio ispirato a questo lavoro, Lo scienziato dello staff della fonderia Steve Whitelam ha utilizzato la modellazione al computer per studiare i percorsi di cristallizzazione delle proteine ​​dello strato S modello. Quando le proteine ​​modello si incontrano, potrebbero restare uniti in qualsiasi angolazione in cui si scontrano (mediata da interazioni non specifiche), o si legano nell'orientamento corretto necessario per formare un cristallo (mediato da interazioni direzionali).

Regolando queste interazioni, Whitelam ha identificato i regimi dei parametri all'interno dei quali si formano macchie non strutturate di proteine ​​prima della cristallizzazione. Ricerca attraverso lo spazio dei parametri, ha scoperto che i cristalli spesso si formano in modo più affidabile se le proteine ​​modello interagiscono in modo direzionale e non specifico, piuttosto che attraverso la sola interazione direzionale. Cosa c'è di più, Aggiunge, questi risultati possono essere applicati a diversi tipi di materiali.

“Molti materiali biologici e inorganici si assemblano e cristallizzano attraverso fasi intermedie spesso amorfe, "ha detto Whitelam, che è nella struttura di teoria dei materiali nanostrutturati della fonderia. "Lo sviluppo di un modello molecolare di cristallizzazione in un particolare sistema ci aiuta a comprendere i meccanismi di cristallizzazione in generale".